卫星通信网络功率域非正交多址技术研究综述

葛瑞星 李广侠 边东明 李龙

【摘  要】卫星通信网络正面临多用户、大容量、高效率的接入需求带来的挑战。非正交多址技术作为5G通信网络中提高接入用户数量与用户通信容量的关键技术，在卫星领域的应用受到了广泛的关注。以NOMA技术中的功率域NOMA（PD-NOMA）为研究重点，在介绍其基本原理的基础上，总结了卫星通信网络中该技术的研究现状，分析了应用存在的技术难点，提出了未来研究的发展趋势。

【关键词】卫星通信网络;功率域;非正交多址

中图分类号：TN927

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）05-0033-07

1   引言

近年来，伴随着LEO（Low Earth Orbit，低轨道）星座卫星成为卫星通信发展新的热点，国内外公布了包括Oneweb、Stralink、鸿雁、虹云等在内的多个星座的研制与发射计划，卫星通信技术正向高通量卫星、立体卫星网络、星地一体化网络通方向发展[1]。2016年，我国将天地一体化信息网络建设列入《“十三五”国家科技创新规划》，该网络以GEO（Geostationary Earth Orbit，地球静止轨道）卫星、LEO星座卫星为核心，与地面互联网和移动通信网互联互通，拟建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。

然而，在目前卫星通信系统频带资源受限、用频冲突的环境下，立体卫星网络、天地一体化信息网络的应用将加剧异构通信系统间的频率冲突与同频信号干扰，对系统运行控制带来了极大的挑战。通信用户采用何种方式接入卫星网络，有效利用卫星频率资源、功率资源，在避免干扰的前提下提升通信容量成为当今卫星通信网络研究的重點问题。

相对卫星通信网络而言，地面通信网络在频谱利用、功率配置等技术上发展更为成熟。作为当今地面5G通信网络在频谱利用方面的新兴技术，NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）技术能够通过用户分组、功率配置、码字设置等方式实现多用户信号的非正交传输，在提高频带利用率与通信容量上有突出的表现[2-4]。将这一技术运用于卫星通信网络中以解决频带资源紧张、频率利用冲突的问题，已成为卫星通信技术理论研究的热点之一。

本文以功率域NOMA技术（PD-NOMA，Power-Domain NOMA）为重点，在阐述其基本原理的基础上，针对目前该技术在卫星通信网络中的研究现状与技术难点，对其未来发展的主要趋势进行了展望。

2   NOMA技术介绍

2.1  NOMA技术种类

在传统的正交多址接入（OMA）技术中，每一个用户占据一个独立的时间/带宽资源，在未来大数量用户接入的环境下，信道条件差的用户会占据大量资源块，导致系统频谱效率降低，限制系统容量[5]。随着接收机设计技术的发展与设备运算能力的提升，多个用户以非正交的形式复用同一资源块，并在接收端通过对应算法进行信号分离的非正交接入（NOMA）模式成为未来替代OMA接入的新接入模式。目前主流的NOMA技术包括PD-NOMA、SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏码多址接入）、MUSA（Multi-User Shared Access，多用户共享接入）与PUMA（Pattern Division Multiple Access，图样分割多址）等[6-7]，其主要特性由表1所示。几种NOMA技术中，PD-NOMA的提出最早，研究成果最多，是本文主要的研究对象。

2.2  PD-NOMA技术原理

PD-NOMA的核心思路是通过引入新的维度——功率域，实现多个用户对单个时频资源块的复用。在发射端，不同用户以设定的功率等级发射信号，在时频域叠加传输，在接收端，接收机通过SIC（Successive Interference Cancellation，串行干扰消除）算法，利用信号的功率配置因子实现不同用户信号的区分与分离[8]。

以基本单双用户下行单元为例， PD-NOMA系统的工作原理如图1所示：

基站作为信号发射端在设置合适的功率配置因子α1、α2后向用户1与用户2发射时频域叠加信号，信号表示为：

其中，h1、h2为信道条件参数，n1、n2为信道加性白噪声：n1CN（0，σ21），n2CN（0，σ22），且|h1|2/σ21>|h2|2/σ22，根据PD-NOMA功率分配的原则，为确保系统公平性，在接收端实现SIC，发射端给弱信道条件用户分配功率高于强信道条件用户，即α1<α2。

下行链路中，用户作为信号接收端，具备SIC处理功能。用户1由于信道条件较好，首先解调功率较大的用户2的信号，重构后消除用户2信号，解调并提取用户1信号。用户2用于信道条件较差，直接将用户1信号作为噪声处理，提取自身信号。在用户1成功解调、重构用户2信号并实现消除即完成SIC处理后，用户通信容量分别为：

式（3）给出了非对称信道条件下，下行PD-NOMA系统中系统容量的上界，将其于传统OMA系统容量边界比较如图2所示，其中p|h1|2/σ21=20 dB，p|h2|2/σ22=0 dB。

与下行信道类似，上行信道中，用户端设置功率配置因子，向基站传输时频域叠加的信号，基站接收信号后采用SIC技术实现不同用户的信号的分离与解调。其工作原理与PD-NOMA系统下行信道类似，这里不再赘述。图3比较了非对称信道条件下OMA系统与PD-NOMA系统下行信道中容量边界，其中p|h1|2/σ21=10 dB，p|h2|2/σ22=0 dB。

由图2、图3可以看出，在用户间存在一定信道差异的情况下，采用NOMA技术能够获得更高的容量上界，提升系统频带利用率。文献[9]、[10]详细分析了PD-NOMA系统的容量边界特性，可供读者进一步研究。

3    PD-NOMA技术在卫星通信领域的研究现状

卫星通信具有覆盖范围广、用户数量多、信道条件复杂的特性。NOMA技术能有效解决未来卫星通信网络中用户数量过载、通信频带冲突的问题，在天地一体化信息网络中具有较强的应用前景。本文从PD-NOMA技术在卫星通信网络中的应用场景展开，分析目前PD-NOMA技术在卫星通信领域的研究现状。

（1）场景一：通信卫星不接入NOMA系统[11]

该场景中，卫星、地面通信网络间无信息交互，地面通信网络中的用户采用PD-NOMA模式接入并通信时，受到卫星通信网络中同频信号的干扰。研究的主要内容包括卫星通信网络干扰下的NOMA系统模型构建与系统平均吞吐量、中断概率等性能参数的分析。该场景下的NOMA系统工作模式与用户分组、功率配置算法相较常规NOMA系统没有明显变化。

（2）场景二：通信卫星接入NOMA系统，但不应用NOMA技术处理信号[12-13]

该场景中，卫星、地面通信网络间存在信息交互或在统一的运算中心内进行系统参数设置，地面通信网络采用NOMA技术进行用户接入，而卫星通信用户不采用NOMA技术。文献[12]构造了通信卫星传输时频域叠加信号至地面基站，地面基站将信号放大后转发至地面NOMA用户的场景，分析了该场景下的系统性能参数。文献[13]构建了一种以采用NOMA技术的地面通信系统为主、卫星通信进行补充覆盖的系统模型，将天地一体化网络中用户分组与功率配置问题分解为卫星通信用户筛选、地面通信用户配对、功率配置三步完成。

（3）场景三：通信卫星接入NOMA系统，且使用NOMA技術处理信号[14-19]

该场景中，通信卫星接入NOMA系统，单独应用NOMA技术或与地面通信网络联合应用NOMA技术通信。针对这一类场景的研究内容较多，研究重点包括两方面：

一是研究卫星通信网络中具有信道条件差异的NOMA用户组构建。文献[14]构造了通信卫星在单波束下直接与地面用户采用NOMA机制通信的场景，利用不同用户的阴影衰落模型构建信道条件差;文献[15]构建了通信卫星下行链路中单波束下地面（海面）用户与空中无人机用户的NOMA模型，利用用户的接收能力差异生成的信道条件差进行配对。

二是在构建用户组的基础上分析卫星通信的机制对NOMA技术应用产生的影响。文献[16]、[17]对多波束卫星下用户采用NOMA接入的场景进行了分类，比较了SIC方法、SND方法、IAN方法等接收算法在不同信号环境特性下的优劣，给出了多波束卫星先进行空域预编码再进行NOMA组内功率配置的设计思路;文献[18]分析了多波束卫星在应用NOMA技术时的波束间干扰问题，给出了带宽与功率的优化配置算法;文献[19]分析了卫星通信网络与地面蜂窝网络同时采用NOMA技术时，用户节点位置、蜂窝网络半径等参数对系统性能的影响。

综上所述，在卫星通信网络中应用PD-NOMA技术属于新场景下的NOMA技术应用，除常规的功率分配算法与系统性能分析外，还增加了系统模型构造、用户组构造与分组方法、多波束机制下NOMA技术应用等方面的研究。

4  PD-NOMA技术在卫星通信中应用的技术难点

4.1  具有稳定信道条件差异的用户组构造

NOMA技术关键在于组内用户信号在功率域上的叠加与解调[20]。从用户分组的角度看，只有将两个信道差异较大的用户进行配对，PD-NOMA技术提高频带利用率、提升系统总吞吐量的优势才有明显的表现[21-22]。卫星通信的信道条件相较地面移动通信更加复杂且路径衰减对用户的地理位置不敏感，不能直接将用户至基站物理距离值作为分组依据。目前主要的构造信道差异的方法有两类：一是利用路径衰减外的其他信道特性进行配对，如用户的阴影衰落模型[14]、单波束下远端用户与中心用户的路径衰减差或不同波束下用户路径衰减差[18]等，考虑到卫星信道模型的慢时变性与LEO卫星存在的波束覆盖区域运动情况，这类构造方法产生的用户组分组状态难以长时保持;二是利用用户端的差异进行配对，例如不同用户之间的用天线增益差[15]、QOS需求差[16， 19]等，这类构造方法有的只在部分特殊场景下适用，有的限制了地面用户配对的自由度。因此如何构造具有稳定信道条件差异的用户是目前PD-NOMA在卫星通信领域应用的需要解决的重点技术问题。为解决这一问题，考虑从卫星通信用户特点与业务特点出发，研究适用于卫星通信场景的用户组构造方法。

4.2  异构通信系统系统下的信息共享

PD-NOMA系统中，用户功率配置因子设计与接收端SIC处理均需要用户信道条件作为先验信息[23]。地面PD-NOMA系统结构相对简单，用户信道条件、用户设备特性、QOS需求等信息可通过上行链路在基站端进行汇总。而天地一体化通信网络是典型的异构通信系统，卫星通信网络应用NOMA技术时，不仅要获取通信用户的信道信息，还需要与地面通信网络进行信息交互以实现合理的频带选择与功率设置，降低来自地面通信网络的干扰。同时卫星通信网络中多层卫星、卫星多波束的通信机制也增加了系统内部共享信息的复杂度。因此在卫星通信网络中应用NOMA技术，需要进一步增强天地一体化通信网络中卫星通信网络与地面通信网络间、不同轨道卫星网络间、卫星不同波束间的信息共享能力。

4.3  接收机设计

卫星通信网络用户受到路径衰落、阴影遮蔽、多径效应等多种信道干扰的影响，在接收端进行SIC难度较大。SIC接收机在对不同用户信息进行解调、重构、消除时，接收机中出现解调误差会以误差传递的形式影响后续信号的解调，降低系统性能[24]，同时多波束下用户的检测也会进一步增加接收机SIC处理的难度[25]。因此应用新的接收机SIC算法的同时，考虑算法复杂度与处理精度上的平衡是卫星通信网络中应用NOMA技术的研究方向之一。

5   PD-NOMA技术在卫星通信领域的发展趋势

NOMA技术作为未来地面5G通信网络的关键技术之一，在与CR（Cognitive Radio，认知无线电）、MIMO（多输入多输出系统）、Mm-Wave（毫米波通信）等新技术结合后产生了许多新的研究方向[23]，本节重点分析与卫星通信场景相契合的两类研究方向。

5.1  非完备信道条件下的NOMA（Imperfect CSI NOMA）

常规的NOMA技术在进行理论分析时都建立在用户CSI（Channel State Information，信道状态信息）已知且无误的条件下。在卫星通信网络中，一方面由于信号传播环境复杂、受到的干扰与衰减严重，CSI易出现错误或缺失。另一方面，系统中用户信道条件信息与功率配置因子需要集中在信关站进行运算，CSI实时性较差，有时需要依靠统计信息进行SIC处理。因此如何在非完备信道条件下（Imperfect CSI）应用PD-NOMA技术是需要解决的一个实际问题。目前对Imperfect CSI的研究主要集中在信道模型和解调SINR模型的建立与优化问题的求解上[26-29]，涉及的场景模型均为地面移动通信网络场景。因此在卫星通信网络中研究Imperfect CSI下的模型建立与优化算法是未来研究的方向之一。

5.2  协作中继NOMA技术

协作中继NOMA技术（Cooperative NOMA）作为功率域NOMA的衍生技术，在近几年被提出并受到了较高的关注。Cooperative NOMA多应用于NOMA通信系统的下行链路中，其核心思路是利用利用NOMA系统中信道条件好的用户能够解调出信道条件差的用户的信息的特点，将得到的信号发送给信道条件差的用户，以增强其接收信号的功率，提升吞吐量[30]。在天地一体化网络中，通信卫星覆盖范围广，用户种类多，不同特性用户之间、地面基站与卫星通信用户之间、不同轨道的卫星与地面用户之间均可进行协作中继传输以增强用户端信号能量。目前已有部分研究将Cooperative NOMA架构应用于卫星通信网络中[12， 31]，但场景构建相对单一，有待进一步深入研究。

6   结束语

功率域非正交多址作为新一代通信系统中高频带利用率、增加系统通信容量的有效手段，在卫星通信网络体系下有良好的应用前景。文章通过对目前卫星通信领域PD-NOMA的研究成果的总结，分析了技术运用存在的难点，展望了未来研究的热门方向。在卫星通信网络与天地一体化通信网络中应用PD-NOMA技术不仅需要在理论上进行详细的论证与推导，也需要在接收技术、信息共享技术上实现实际应用上的突破。

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